DE102018123485B4 - Method for separating a semiconductor component with a pn junction - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Auftrennen eines Halbleiterbauelementes (1a, 1b) mit einem pn-Übergang (4a, 4b), mit den Verfahrensschritten:
A. Bereitstellen eines Halbleiterbauelementes (1a, 1b), welches zumindest einen Emitter (2a, 2b) und zumindest eine Basis (3a, 3b) aufweist, wobei zwischen Emitter (2a, 2b) und Basis (3a, 3b) ein pn-Übergang (4a, 4b) ausgebildet ist,
B. Auftrennen des Halbleiterbauelementes (1a, 1b) in zumindest zwei Teilelemente an zumindest einer Trennfläche (T),
dadurch gekennzeichnet,
dass nach Verfahrensschritt B an der Trennfläche (T) eine Trennflächenpassivierungsschicht (6a, 6b) angeordnet wird, welche mit ortsfesten Ladungen mit einer Flächenladungsdichte im Betrag größer gleich 1012 cm-2 ausgebildet wird,
dass die Trennflächenpassivierungsschicht (6a, 6b) als Aluminiumoxidschicht, als Siliziumnitridschicht oder als Siliziumoxinitridschicht ausgebildet wird und
dass die Trennflächenpassivierungsschicht (6a, 6b) die gesamte Trennfläche (T) bedeckend ausgebildet wird.
Method for separating a semiconductor component (1a, 1b) with a pn junction (4a, 4b), with the method steps:
A. Providing a semiconductor component (1a, 1b) which has at least one emitter (2a, 2b) and at least one base (3a, 3b), with a pn junction between emitter (2a, 2b) and base (3a, 3b) (4a, 4b) is formed,
B. Separating the semiconductor component (1a, 1b) into at least two sub-elements on at least one separating surface (T),
characterized,
that after method step B, a separating surface passivation layer (6a, 6b) is arranged on the separating surface (T), which is formed with stationary charges with a surface charge density in the amount greater than or equal to 10 12 cm -2 ,
that the interface passivation layer (6a, 6b) is formed as an aluminum oxide layer, as a silicon nitride layer or as a silicon oxynitride layer and
that the interface passivation layer (6a, 6b) is formed to cover the entire interface (T).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftrennen eines Halbleiterbauelements mit einem pn-Übergang gemäß Anspruch 1.The invention relates to a method for separating a semiconductor component with a pn junction according to claim 1.
Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist es häufig wünschenswert, mehrere auf einem Substrat hergestellte Halbleiterbauelemente aufzutrennen, (zu vereinzeln), indem das Substrat an zumindest einer Trennfläche aufgetrennt wird, sodass die Halbleiterbauelemente separiert sind. Ein solches Auftrennen ist bei der Herstellung von Rechenprozessoren notwendig, da typischerweise eine Vielzahl von Rechenprozessoren auf einem Siliziumwafer hergestellt werden. Darüber hinaus findet ein Auftrennen von fotovoltaischen Solarzellen zunehmend Anwendung:
- Fotovoltaische Module werden heute üblicherweise aus Silizium-Solarzellen mit einer Kantenlänge von ca. 156 mm hergestellt. Die Verschaltung erfolgt durch elektrisch leitende Verbindungen mittels leitenden Elementen - meist sogenannten Zellverbindern -, die jeweils Solarzellen alternierend auf Vorder- und Rückseite verbinden. Ein Nachteil dieser Verschaltung ist, dass der hohe Strom (bis ca. 10 A) der einzelnen Solarzellen eine sehr hohe Leitfähigkeit und somit hohe Leitungsquerschnitte der Zellverbinder voraussetzen.
- Today, photovoltaic modules are usually made from silicon solar cells with an edge length of approx. 156 mm. The interconnection takes place through electrically conductive connections using conductive elements - mostly so-called cell connectors - which alternately connect solar cells on the front and back. A disadvantage of this interconnection is that the high current (up to approx. 10 A) of the individual solar cells requires very high conductivity and thus high cable cross-sections of the cell connectors.
Eine bekannte Möglichkeit diesen Nachteil zu umgehen ist, auf einem Siliziumwafer zwei oder mehr Solarzellen vorzusehen, um den Strom pro Solarzelle entsprechend proportional zu senken. Diese werden erst zum Ende der Prozessierung aufgetrennt, um möglichst lange im Nutzen der großen Ausgangswafer zu produzieren und somit die Produktivität hoch zu halten und etabliertes Produktionsequipment verwenden zu können.A known possibility of avoiding this disadvantage is to provide two or more solar cells on a silicon wafer in order to reduce the current per solar cell proportionally. These are only separated at the end of the processing in order to be able to produce as long as possible using the large starting wafers and thus to keep productivity high and to be able to use established production equipment.
Werden die Solarzellen weiterhin wie oben beschrieben mittels Zellverbinder elektrisch verbunden, so verbleibt zwischen den Solarzellen Raum, der nicht fotovoltaisch aktiv ist und deshalb zu einer Reduktion des Modulwirkungsgrades führt.If the solar cells continue to be electrically connected by means of cell connectors as described above, space remains between the solar cells that is not photovoltaically active and therefore leads to a reduction in the module efficiency.
Eine bekannte Methode, diesen Nachteil zu umgehen, ist das sogenannte Verschindeln der Solarzellen, bei dem die Oberseite eines Endes einer Solarzelle unmittelbar elektrisch mit der Unterseite der nächsten Zelle verbunden wird. Hierfür werden die externen Kontakte auf der Vorder- und Rückseite an den jeweils gegenüberliegenden Kanten der Solarzellen realisiert. Da üblicherweise zwecks Minimierung der Abschattung keine sehr hoch leitenden Kontaktelemente in der Solarzelle vorhanden sind und für das Schindelkonzept basierend auf großen konventionellen Solarzellen die Strecken, durch die der Strom in den Kontaktfingern zu den außen liegenden externen Kontakten fließen muss, sehr groß werden, werden die Siliziumwafer nach Prozessierung der Solarzellen in schmale Streifen geschnitten, sodass somit mehrere fotovoltaische Solarzellen mit einer typischerweise rechteckigen Form realisiert werden, um beim Verschindeln Leistungsverluste in den Fingerkontakten der Solarzelle zu minimieren.A known method of circumventing this disadvantage is the so-called shingling of the solar cells, in which the upper side of one end of one solar cell is electrically connected directly to the lower side of the next cell. For this purpose, the external contacts are made on the front and back on the opposite edges of the solar cells. Since there are usually no very highly conductive contact elements in the solar cell in order to minimize shading, and the distances through which the current in the contact fingers must flow to the external external contacts are very large for the shingle concept based on large conventional solar cells, the After processing the solar cells, silicon wafers are cut into narrow strips, so that several photovoltaic solar cells with a typically rectangular shape can be realized in order to minimize power losses in the finger contacts of the solar cell when interlocking.
Die Auftrennung der auf einem Substrat, insbesondere einem Siliziumwafer, hergestellten Halbleiterbauelemente führt zu einer Vergrößerung des Verhältnisses aus Umfang zu Fläche und somit zu einem Ansteigen von flächennormierten Leistungsverlusten durch Randrekombination. Untersuchungen haben gezeigt (J. Dicker, „Analyse und Simulation von hocheffizienten Silizium-Solarzellenstrukturen für industrielle Fertigungstechniken“, Dissertation, Universität Konstanz, 2003), dass insbesondere der Bereich, in welchem ein pn-Übergang an eine Trennfläche, an welcher eine Auftrennung erfolgte, auftrifft, zu Leistungsverlusten führt. Ein Grund hierfür ist insbesondere die Randrekombination in den quasi neutralen Gebieten von Emitter und Basis und wie zuvor beschrieben insbesondere in der Raumladungszone. Hinzu kommt, dass die Trennung der aufgetrennten Halbleiterbauelemente an den erzeugten Kanten zu einer deutlichen Erhöhung der Rekombinationsrate selbst führt. Dieser Einfluss ist insbesondere dann relevant, wenn das Halbleiterbauelement an den anderen Oberflächen eine hohe elektronische Güte, insbesondere eine niedrigere Rekombinationsrate durch Passivierungsschichten oder anderen Passivierungsmechanismen aufweist.The separation of the semiconductor components produced on a substrate, in particular a silicon wafer, leads to an increase in the ratio of circumference to area and thus to an increase in area-normalized power losses through edge recombination. Investigations have shown (J. Dicker, "Analysis and simulation of highly efficient silicon solar cell structures for industrial production techniques", dissertation, University of Konstanz, 2003) that in particular the area in which a pn transition to a separation surface was carried out , leads to a loss of performance. One reason for this is in particular the edge recombination in the quasi-neutral areas of the emitter and base and, as described above, in particular in the space charge zone. In addition, the separation of the separated semiconductor components at the generated edges leads to a significant increase in the recombination rate itself. This influence is particularly relevant if the semiconductor component has a high electronic quality on the other surfaces, in particular a lower recombination rate due to passivation layers or other passivation mechanisms.
Es besteht daher ein Bedarf, Halbleiterbauelemente aufzutrennen, ohne die elektronische Güte des Halbleiterbauelementes durch die Trennfläche, insbesondere durch Rekombinationseffekte an der Trennfläche, wesentlich zu verringern.There is therefore a need to separate semiconductor components without significantly reducing the electronic quality of the semiconductor component through the separation surface, in particular through recombination effects at the separation surface.
Es ist bekannt, dass bei Silizium-Solarzellen eine an der Trennfläche nativ aufwachsende Siliziumdioxidschicht bei geringen Beleuchtungsstärken den negativen Einfluss verringert (
In SZE,
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Auftrennen eines Halbleiterbauelementes zur Verfügung zu stellen, bei dem ein negativer Einfluss der Trennfläche auf die elektronische Güte verringert wird.The present invention is therefore based on the object of providing a method for separating a semiconductor component in which a negative influence of the separating surface on the electronic quality is reduced.
Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by a method according to claim 1. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.
Ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Halbleiterbauelement weist bevorzugt eine Vorder- und eine gegenüberliegende Rückseite sowie Seitenflächen auf. Weiterhin weist das Halbleiterbauelement zumindest einen Emitter und zumindest eine Basis auf, wobei zwischen Emitter und Basis ein pn-Übergang ausgebildet ist. Der Emitter erstreckt sich parallel zu der Vorder- und/oder Rückseite. Das Halbleiterbauelement kann somit beispielsweise als fotovoltaische Solarzelle oder Transistor ausgebildet sein. Der Emitter kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein. Insbesondere liegen mittels Diffusion und/oder Implantation erzeugte Emitter sowie Heteroemitter und epitaktisch erzeugte Emitter im Rahmen der Erfindung.A semiconductor component produced by means of the method according to the invention preferably has a front side and an opposite rear side as well as side surfaces. Furthermore, the semiconductor component has at least one emitter and at least one base, a pn junction being formed between the emitter and the base. The emitter extends parallel to the front and / or rear. The semiconductor component can thus be designed as a photovoltaic solar cell or transistor, for example. The emitter can be designed in a manner known per se. In particular, emitters produced by means of diffusion and / or implantation as well as hetero emitters and epitaxially produced emitters are within the scope of the invention.
Weiterhin ist zumindest eine Seitenfläche eine Trennfläche, an der eine Trennflächenpassivierungsschicht angeordnet ist. Die Trennflächenpassivierungsschicht weist ortsfeste Ladungen mit einer Flächenladungsdichte im Betrag größer gleich 1012 cm-2 auf. Die Flächenladungsdichte kann somit elektrisch positiv oder negativ sein. Der Betrag der Flächenladungsdichte ist größer gleich 1012 cm-2 ist, d.h. bei einer positiven Ladung größer gleich 1012 cm-2 und bei einer negativen Ladung kleiner gleich -1×1012 cm-2.Furthermore, at least one side surface is a separation surface on which a separation surface passivation layer is arranged. The interface passivation layer has stationary charges with a surface charge density in an amount greater than or equal to 10 12 cm -2 . The surface charge density can thus be electrically positive or negative. Is the magnitude of the surface charge density of greater than or equal to 10 12 cm -2, ie at a greater positive charge equal to 10 12 cm -2 and at a negative charge less than or equal -1 × 10 12 cm -2.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis begründet, dass die negativen Effekte, welche an einer Trennfläche auftreten, besonders effizient durch eine Trennflächenpassivierungsschicht mit einer Flächenladungsdichte im Betrag her ≥ 1012 cm-2 verringert werden können. Zwar sind an sich bei Halbleiterbauelementen und insbesondere bei fotovoltaischen Solarzellen Passivierungsschichten bekannt, welche die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit von Ladungsträgern verringern. Untersuchungen der Anmelderin zeigen jedoch, dass die negativen Effekte an der Trennfläche besonders effizient durch die zuvor beschriebene Trennflächenpassivierungsschicht verringert werden. Das ist vor allem darin begründet, dass ortsfeste Ladungen in der Trennflächenpassivierungsschicht Ladungsträger im Halbleiterbauelement, insbesondere einer Siliziumschicht des Halbleiterbauelementes, abhalten, an die Trennfläche zu gelangen. Insbesondere bei einer Siliziumschicht werden diese bis zu einer Tiefe von etwa 20 nm ins Silicium von der Trennfläche abgehalten. Das hat zum Vorteil, dass eine oberflächennahe Schädigung an der Trennfläche verursacht durch den Trennungsprozess bis zu einer Tiefe von etwa 20 nm tolerierbar ist. Ein mechanisches Trennen ist ohne Schädigung mehrerer Atomlagen der Oberfläche des Halbleitervolumens in der Regel nicht möglich. Es lässt sich aber durch geeignete Prozesswahl auf eine Tiefe kleiner 20 nm beschränken. Vorteilhafterweise wird das Verfahren deshalb so ausgeführt, dass das Auftrennen mittels eines der nachfolgend erläuterten Verfahren TLS, LIC oder LDC erfolgt, da diese Verfahren eine vergleichsweise geringe Schädigungstiefe aufweisen. The invention is based on the knowledge that the negative effects which occur at a separating surface can be reduced particularly efficiently by a separating surface passivation layer with a surface charge density of ≥ 10 12 cm -2 . It is true that passivation layers are known per se in semiconductor components and in particular in photovoltaic solar cells, which reduce the surface recombination speed of charge carriers. Investigations by the applicant show, however, that the negative effects on the interface are reduced particularly efficiently by the interface passivation layer described above. This is primarily due to the fact that stationary charges in the interface passivation layer prevent charge carriers in the semiconductor component, in particular a silicon layer of the semiconductor component, from reaching the interface. In the case of a silicon layer in particular, these are kept from the separating surface up to a depth of about 20 nm into the silicon. This has the advantage that near-surface damage to the separation surface caused by the separation process can be tolerated up to a depth of approximately 20 nm. Mechanical separation is usually not possible without damaging several atomic layers on the surface of the semiconductor volume. However, it can be limited to a depth of less than 20 nm by choosing a suitable process. The method is therefore advantageously carried out in such a way that the separation takes place by means of one of the TLS, LIC or LDC methods explained below, since these methods have a comparatively small depth of damage.
Vorteilhafterweise überdeckt die Trennflächenpassivierungsschicht zumindest den Bereich, in welchem der pn-Übergang an die Trennfläche angrenzt oder, sofern der pn-Übergang nicht bis an die Trennfläche heranreicht, in welcher eine Verlängerung des pn-Übergangs bis zur Trennfläche auf die Trennfläche trifft.The interface passivation layer advantageously covers at least the area in which the pn junction adjoins the interface or, if the pn junction does not reach the interface, in which an extension of the pn junction up to the interface meets the interface.
Eine besonders vorteilhafte Passivierung der Trennfläche wird erzielt, indem sich in einer vorteilhaften Ausführungsform die Trennflächenpassivierungsschicht über die gesamte Trennfläche erstreckt.A particularly advantageous passivation of the separating surface is achieved in that, in an advantageous embodiment, the separating surface passivation layer extends over the entire separating surface.
Solch ein Halbleiterbauelement weist den Vorteil auf, dass aufgrund der Passivierung der Trennfläche durch die Trennflächenpassivierungsschicht die Fläche des Halbleiterbauelementes effizient genutzt werden kann und somit der Emitter bis zur Trennfläche heranreichen kann. Insbesondere vorbekannte Methoden zum Vermeiden negativer Einflüsse einer Trennfläche, welche eine Isolierung mittels Isolierungsgräben und/oder Beabstandung des pn-Überganges durch Ausbilden von Emitterfenstern zu der Trennfläche vorgesehen haben, sind nicht oder zumindest nicht zwingend notwendig. Zwar kann der positive Effekt gesteigert werden, indem der pn-Übergang nicht unmittelbar bis an die Trennfläche heranreicht, zu einer solchen Steigerung ist jedoch eine geringfügige Beabstandung ausreichend.Such a semiconductor component has the advantage that, due to the passivation of the separating surface by the separating surface passivation layer, the surface of the semiconductor component can be used efficiently and thus the emitter can reach up to the separating surface. In particular, previously known methods for avoiding negative influences of a separating surface, which have provided insulation by means of isolation trenches and / or spacing the pn junction by forming emitter windows from the separating surface, are not or at least not absolutely necessary. Although the positive effect can be increased in that the pn junction does not directly reach the interface, a slight spacing is sufficient for such an increase.
Vorteilhafterweise ist der pn-Übergang daher weniger als 50 µm , insbesondere weniger als 20 µm, zu der Trennfläche beabstandet. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass der pn-Übergang an die Trennfläche angrenzt. Hierdurch ergibt sich ein vereinfachtes Herstellungsverfahren.The pn junction is therefore advantageously less than 50 μm, in particular less than 20 μm, from the separating surface. In particular, it is advantageous that the pn junction adjoins the separating surface. This results in a simplified manufacturing process.
Die Trennflächenpassivierungsschicht wird erfindungsgemäß als Aluminiumoxidschicht, als Siliziumnitridschicht oder als Siliziumoxinitridschicht ausgebildet. Diese Schichten können in an sich bekannter Weise erzeugt werden und mit hohen Flächenladungsdichten versehen werden. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, die Trennflächenpassivierungsschicht mit einem der nachfolgenden Verfahren auszubilden:
- - CVD (siehe nachfolgend);
- - ALD (siehe nachfolgend);
- - Drucktechnologien, insbesondere ein Druck mittels Siebdruck, Inkjet, Extrusion oder Dispenser;
- - Spray-Coating;
- - Aufbringen von Schichtmaterial mittels eines Mediums auf die Trennfläche;
- - CVD (see below);
- - ALD (see below);
- - Printing technologies, in particular printing by means of screen printing, inkjet, extrusion or dispenser;
- - spray coating;
- - Application of layer material by means of a medium on the parting surface;
Das Halbleiterbauelement kann als Transistor ausgebildet sein.The semiconductor component can be designed as a transistor.
Vorteilhaft ist, dass das Halbleiterbauelement als fotovoltaische Solarzelle ausgebildet ist. Denn insbesondere bei fotovoltaischen Solarzellen sind hohe Lebensdauern von Minoritätsladungsträgern in Emitter und Basis für hohe Wirkungsgrade notwendig, sodass hier die Passivierung einer Trennfläche eine besondere Relevanz hat.It is advantageous that the semiconductor component is designed as a photovoltaic solar cell. This is because, in the case of photovoltaic solar cells in particular, long lifetimes of minority charge carriers in the emitter and base are necessary for high efficiencies, so that the passivation of an interface is particularly relevant here.
Vorteilhafterweise ist daher das Halbleiterbauelement als fotovoltaische Solarzelle ausgebildet, welche zumindest eine Siliziumschicht aufweist, in welcher zumindest die Basis ausgebildet ist. Es liegt hierbei im Rahmen der Erfindung, dass sowohl Emitter als auch Basis in der Siliziumschicht ausgebildet werden. Ebenso liegt das Anordnen einer separaten Schicht, insbesondere einer separaten Siliziumschicht, zum Ausbilden des Emitters an der Basis im Rahmen der Erfindung.The semiconductor component is therefore advantageously designed as a photovoltaic solar cell which has at least one silicon layer in which at least the base is formed. It is within the scope of the invention that both the emitter and the base are formed in the silicon layer. Arranging a separate layer, in particular a separate silicon layer, for forming the emitter on the base is also within the scope of the invention.
Vorteilhafterweise erfolgt die Trennung des Halbleiterbauelementes an der Trennfläche derart, dass eine Schädigungszone mit einer geringen Tiefe entsteht. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass das Halbleiterbauelement an der Trennfläche eine Schädigungszone mit einer Ladungsträgerlebensdauer zumindest in der Basis < 1 µs aufweist, wobei die Schädigungszone senkrecht zur Trennfläche eine Dicke < 20 nm aufweist. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Ladungsträgerlebensdauer zumindest in der Basis in einem an die Schädigungszone angrenzenden Bereiche eine Ladungsträgerlebensdauer > 10 µs aufweist, wie bei fotovoltaischen Solarzellen üblich.The semiconductor component is advantageously separated at the separating surface in such a way that a damage zone with a small depth is created. In particular, it is advantageous that the semiconductor component has a damage zone at the interface with a charge carrier lifetime at least in the base <1 μs, the damage zone having a thickness of <20 nm perpendicular to the interface. In particular, it is advantageous that the charge carrier life at least in the base in an area adjoining the damage zone has a charge carrier life of> 10 μs, as is usual with photovoltaic solar cells.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Auftrennen eines Halbleiterbauelementes mit einem pn-Übergang weist folgende Verfahrensschritte auf: In einem Verfahrensschritt A erfolgt ein Bereitstellen eines Halbleiterbauelementes, welches zumindest einen Emitter und zumindest eine Basis aufweist, wobei zwischen Emitter und Basis ein pn-Übergang ausgebildet ist.The method according to the invention for separating a semiconductor component with a pn junction has the following method steps: In method step A, a semiconductor component is provided which has at least one emitter and at least one base, a pn junction being formed between the emitter and the base.
In einem Verfahrensschritt B erfolgt ein Auftrennen des Halbleiterbauelementes in zumindest zwei Teilelemente an zumindest einer Trennfläche.In a method step B, the semiconductor component is separated into at least two sub-elements on at least one separating surface.
Wesentlich ist, dass nach Verfahrensschritt B an der Trennfläche eine Trennflächenpassivierungsschicht angeordnet wird, welche mit einer Flächenladungsdichte mit Betrag größer gleich 1012 cm-2 ausgebildet wird. Hierdurch ergeben sich die bei der vorangehenden Beschreibung des Halbleiterbauelementes genannten Vorteile.It is essential that, after method step B, a separation surface passivation layer is arranged on the separation surface, which is formed with a surface charge density with an amount greater than or equal to 10 12 cm -2 . This results in the advantages mentioned in the preceding description of the semiconductor component.
Die Trennflächenpassivierungsschicht ist die gesamte Trennfläche bedeckend ausgebildet, um eine möglichst effiziente Verringerung der negativen Einflüsse der Trennfläche auf die elektronische Güte des Halbleiterbauelementes zu erzielen.The interface passivation layer is designed to cover the entire interface in order to achieve the most efficient possible reduction in the negative influences of the interface on the electronic quality of the semiconductor component.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, in Verfahrensschritt B das Auftrennen mittels Trennen des Halbleiterbauelementes mit einer an sich bekannten Methode durchzuführen. Das Auftrennen des Halbleiterbauelementes im Verfahrensschritt B kann somit in an sich bekannter Weise erfolgen, insbesondere mittels eines oder mehrerer der nachfolgend beschriebenen Verfahren:
- a) Verfahren einer Chipsäge (
W. P. Mulligan, A. Terao, D. D. Smith, P. J. Verlinden, and R. M. Swanson, „Development of chip-size silicon solar cells“, in Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, USA, 2000, pp. 158-163 - b) Erzeugen eines Grabens mittels eines Lasers mit nachfolgendem mechanischen Brechen (
M. Oswald, M. Turek, J. Schneider, and S. Schönfelder, „Evaluation of silicon solar cell separation techniques for advanced module concepts“, in Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2013, pp. 1807-1812 - c) Thermal Laser Separation (TLS):
M. Oswald, M. Turek, J. Schneider, and S. Schönfelder, „Evaluation of silicon solar cell separation techniques for advanced module concepts“, in Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2013, pp. 1807-1812 S. Eiternick, F. Kaule, H.-U. Zühlke, T. Kießling, M. Grimm, S. Schoenfelder, and M. Turek, „High quality half-cell processing using thermal laser separation“, Energy Procedia, vol. 77, pp. 340-345, 2015 - d)
Laser induced Cutting (LIC): S. Weinhold, A. Gruner, R. Ebert, J. Schille, and H. Exner, „Study of fast laser induced cutting of silicon materials“, in Proc. SPIE 8967, Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM), San Francisco, USA, 2014, 89671J
- a) Process of a chipsaw (
WP Mulligan, A. Terao, DD Smith, PJ Verlinden, and RM Swanson, “Development of chip-size silicon solar cells”, in Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Anchorage, USA, 2000, pp. 158-163 - b) Creating a trench by means of a laser with subsequent mechanical breaking (
M. Oswald, M. Turek, J. Schneider, and S. Schönfelder, "Evaluation of silicon solar cell separation techniques for advanced module concepts", in Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2013, pp. 1807-1812 - c) Thermal Laser Separation (TLS):
M. Oswald, M. Turek, J. Schneider, and S. Schönfelder, "Evaluation of silicon solar cell separation techniques for advanced module concepts", in Proceedings of the 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, France, 2013, pp. 1807-1812 S. Eiternick, F. Kaule, H.-U. Zühlke, T. Kießling, M. Grimm, S. Schoenfelder, and M. Turek, “High quality half-cell processing using thermal laser separation”, Energy Procedia, vol. 77, pp. 340-345, 2015 - d)
Laser induced cutting (LIC): S. Weinhold, A. Gruner, R. Ebert, J. Schille, and H. Exner, “Study of fast laser induced cutting of silicon materials”, in Proc. SPIE 8967, Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing (LAMOM), San Francisco, USA, 2014, 89671J
Untersuchungen zeigen, dass es insbesondere vorteilhaft ist, das Auftrennen in Verfahrensschritt B mittels TLS oder LIC auszuführen. Das TLS-Verfahren beruht darauf, dass mittels eines ersten Laserstrahls ein kurzer Lasergraben erzeugt wird, der dann auf Basis von gleichzeitigem Heizen (beispielsweise mittels eines zweiten Laserstrahls) und Kühlen (zum Beispiel mittels eines Luft-Wasser-Gemischs) entlang der zu erzeugenden Kante in beliebiger Richtung mittels eingebrachter thermomechanischer Spannung zu einer Trennung des Wafers führt. Hierdurch ist insbesondere eine Trennfläche unabhängig von der Kristallorientierung des zu trennenden Wafers möglich. Das LIC-Verfahren ist dem TLS-Verfahren recht ähnlich, wobei bei LIC keine aktive Kühlung dem Heizen (beispielsweise durch einen Laserstrahl) nachgeführt wird. Das LIC-Verfahren ist auch unter dem Namen LDC-Verfahren (Laser Direct Cleaving) bekannt.Investigations show that it is particularly advantageous to perform the separation in method step B using TLS or LIC. The TLS method is based on the fact that a short laser trench is generated by means of a first laser beam, which is then based on simultaneous heating (for example by means of a second laser beam) and cooling (for example by means of an air-water mixture) along the edge to be generated leads to a separation of the wafer in any direction by means of introduced thermomechanical stress. In this way, in particular, a separation surface is possible independently of the crystal orientation of the wafer to be separated. The LIC process is quite similar to the TLS process, with LIC not tracking the heating (for example by a laser beam). The LIC process is also known as the LDC process (Laser Direct Cleaving).
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere den Vorteil auf, dass das Auftrennen nach Fertigstellung oder zumindest weitgehender Fertigstellung des Halbleiterbauelementes erfolgen kann. Vorteilhafterweise wird daher vor Verfahrensschritt B an einer Vorder- und/oder Rückseite des Halbleiterbauelementes eine passivierende Schicht aufgebracht. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass vor Verfahrensschritt B an einer Vorder- und/oder einer Rückseite des Halbleiterbauelementes eine oder mehrere metallische Kontaktierungsstrukturen zum Zu- und/oder Abführen von Ladungsträgern aufgebracht wurde.The method according to the invention has the particular advantage that the separation can take place after completion or at least largely completion of the semiconductor component. A passivating layer is therefore advantageously applied to a front and / or rear side of the semiconductor component before method step B. In particular, it is advantageous that, prior to method step B, one or more metallic contacting structures for supplying and / or removing charge carriers have been applied to a front and / or rear side of the semiconductor component.
Um die Passivierungsgüte der Trennflächenpassivierungsschicht zu verbessern ist es vorteilhaft, dass nach Aufbringen der Trennflächenpassivierungsschicht eine Temperaturbehandlung der Trennflächenpassivierungsschicht erfolgt, insbesondere eine Erwärmung auf eine Temperatur größer gleich 150 °C für eine Zeitdauer von zumindest 1 min.In order to improve the passivation quality of the interface passivation layer, it is advantageous that, after the interface passivation layer has been applied, a temperature treatment of the interface passivation layer takes place, in particular heating to a temperature greater than or equal to 150 ° C. for a period of at least 1 min.
Zur Verbesserung der Passivierungsgüte kann es außerdem vorteilhaft sein, dies in einer definierten Atmosphäre, insbesondere in wasserstoffhaltiger Atmosphäre, auszuführen.To improve the passivation quality, it can also be advantageous to do this in a defined atmosphere, in particular in a hydrogen-containing atmosphere.
Die Temperaturbehandlung kann global erfolgen, indem das gesamte Halbleiterbauelement erwärmt wird. In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Temperaturbehandlung der Trennflächenpassivierungsschicht mittels sukzessiver lokaler Erwärmung, insbesondere mittels eines Lasers. In diesem Fall werden somit nacheinander lokale Teilbereiche der Trennflächenpassivierungsschicht erwärmt, insbesondere bevorzugt, wie zuvor genannt, unter wasserstoffhaltiger Atmosphäre.The temperature treatment can take place globally in that the entire semiconductor component is heated. In an advantageous embodiment, the temperature treatment of the interface passivation layer takes place by means of successive local heating, in particular by means of a laser. In this case, local partial areas of the interface passivation layer are consequently heated one after the other, particularly preferably, as mentioned above, in a hydrogen-containing atmosphere.
Wie zuvor beschrieben, ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere vorteilhaft zum Auftrennen von fotovoltaischen Solarzellen anwendbar. Das Halbleiterbauelement ist daher bevorzugt als fotovoltaische Solarzelle ausgebildet, insbesondere wird bevorzugt zumindest die Basis in einer Siliziumschicht ausgebildet.As described above, the method according to the invention can be used particularly advantageously for separating photovoltaic solar cells. The semiconductor component is therefore preferably in the form of a photovoltaic solar cell; in particular, at least the base is preferably formed in a silicon layer.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Trennflächenpassivierungsschicht zusätzlich an zumindest der Vorder- oder zumindest der Rückseite des Halbleiterbauelementes ausgebildet. Dies weist den Vorteil auf, dass die Trennflächenpassivierungsschicht zusätzlich mit einer weiteren Funktion an Vorder- und/oder Rückseite verwendet werden kann. Insbesondere bei Ausbildung des Halbleiterbauelementes als fotovoltaische Solarzelle kann ein Aufbringen der Trennflächenpassivierungsschicht an der bei Verwendung der Solarzelle der einfallenden Strahlung zugewandten Seite, insbesondere der Vorderseite, als weitere optische Schicht zum Erhöhen der Lichteinkopplung im Solarmodul führen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt daher bevorzugt ein Ausbilden der Trennflächenpassivierungsschicht zusätzlich auf Vorder- und/oder Rückseite des Halbleiterbauelementes, insbesondere während Erzeugen der Trennflächenpassivierungsschicht an der Trennfläche.In a further advantageous embodiment, the interface passivation layer is additionally formed on at least the front or at least the rear of the semiconductor component. This has the advantage that the interface passivation layer can additionally be used with a further function on the front and / or rear. Particularly when the semiconductor component is designed as a photovoltaic solar cell, applying the interface passivation layer to the side facing the incident radiation when the solar cell is used, in particular the front side, as a further optical layer can lead to an increase in the coupling of light in the solar module. In the method according to the invention, therefore, the interface passivation layer is preferably also formed on the front and / or rear side of the semiconductor component, in particular while the interface passivation layer is being produced on the interface.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass wie zuvor beschrieben, auf zumindest einer Seite des Halbleiterbauelementes eine passivierende Schicht aufgebracht wird und die Trennflächenpassivierungsschicht auf die passivierende Schicht und auf die zu passivierende Trennfläche aufgebracht wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, die passivierende Schicht zusätzlich als Ladungsträgerbarrierenschicht auszubilden. Hierdurch wird eine Bildung von ortsfesten Ladungen in der Trennflächenpassivierungsschicht an der Fläche, in welcher die Trennflächenpassivierungsschicht die Ladungsträgerbarrierenschicht bedeckt, vermieden. Dies ist darin begründet, dass die Ladungsträgerbarrierenschicht als Tunnelbarriere wirkt, keine Ladungsträger aus dem Halbleiter in die Trennflächenpassivierungsschicht eindringen können und so die Trennflächenpassivierungsschicht keine ortsfesten Ladungen ausbilden kann. Vorteilhafterweise ist die Ladungsträgerbarrierenschicht als eine dielektrische Schicht ausgebildet, insbesondere als Siliziumnitridschicht, Siliziumoxinitridschicht oder Aluminiumoxidschicht.In particular, it is advantageous that, as described above, a passivating layer is applied to at least one side of the semiconductor component and the interface passivation layer is applied to the passivating layer and to the interface to be passivated. In particular, it is advantageous to also design the passivating layer as a charge carrier barrier layer. This avoids the formation of stationary charges in the interface passivation layer on the surface in which the interface passivation layer covers the charge carrier barrier layer. This is due to the fact that the charge carrier barrier layer acts as a tunnel barrier, no charge carriers from the semiconductor can penetrate into the interface passivation layer and thus the interface passivation layer cannot form stationary charges. The charge carrier barrier layer is advantageously designed as a dielectric layer, in particular as a silicon nitride layer, silicon oxynitride layer or aluminum oxide layer.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist, dass die Trennfläche nicht notwendiger Weise parallel zu einer Vorzugsrichtung, in welcher ein Halbleitersubstrat des Halbleiterbauelementes die schwächsten Bindungen aufweist, liegen muss. Bei einkristallinen Siliziumwafer erfolgt bei Bruch typischerweise eine Bruchlinie in einem 45°-Richtung zu einer Kante des Siliziumwafers, da aufgrund der Kristallorientierung in dieser Richtung geringere Bindungen bestehen. Das vorliegende Verfahren ermöglicht jedoch Trennflächen in beliebigen Winkeln, insbesondere Trennflächen parallel zu einer Kante des Siliziumwafers.A further advantage of the present method is that the interface does not necessarily have to be parallel to a preferred direction in which a semiconductor substrate of the semiconductor component has the weakest bonds. In the case of monocrystalline silicon wafers, a break line typically occurs in a 45 ° direction to an edge of the silicon wafer when broken, since fewer bonds exist in this direction due to the crystal orientation. The present proceedings however, enables separation surfaces at any angles, in particular separation surfaces parallel to an edge of the silicon wafer.
Vorzugsweise ist die Trennfläche daher parallel zu einer Kante des Halbleiterbauelementes, insbesondere, eines Siliziumwafers des Halbleiterbauelementes.The separation area is therefore preferably parallel to an edge of the semiconductor component, in particular a silicon wafer of the semiconductor component.
Weitere vorteilhafte Merkmale und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
-
1 zwei Ausführungsbeispiele von Halbleiterbauelementen sowie Teilschritte zweier Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Verfahren und -
2 eine Draufsicht von oben auf einen Halbleiterwafer zur Verdeutlichung der Position der Trennflächen.
-
1 two exemplary embodiments of semiconductor components and sub-steps of two exemplary embodiments of the method according to the invention and -
2 a plan view from above of a semiconductor wafer to illustrate the position of the separation surfaces.
In den Figuren sind schematische, nicht maßstabsgetreue Darstellungen gezeigt. Insbesondere die Breiten und Dicken der einzelnen Schichten entsprechen zur besseren Darstellbarkeit nicht den tatsächlichen Verhältnissen.The figures show schematic representations that are not true to scale. In particular, the widths and thicknesses of the individual layers do not correspond to the actual conditions for better representation.
In
Als Ausführungsbeispiele sind nachfolgend fotovoltaische Solarzellen als Halbleiterbauelemente erläutert. Ebenso können die dargestellten Halbleiterbauelemente in einer Abwandlung der Ausführungsbeispiele als Transistor ausgebildet sein.Photovoltaic solar cells as semiconductor components are explained below as exemplary embodiments. Likewise, in a modification of the exemplary embodiments, the illustrated semiconductor components can be embodied as transistors.
Anhand der in
- In einem Verfahrensschritt A wird
das Halbleiterbauelement 1a bereitgestellt. - Dieses weist vorliegend einen mittels Diffusion aus der Gasphase ausgebildeten Emitter
2a des n-Dotierungstyps und entsprechend eineBasis 3a auf, welche mit einem Dotierstoff des p-Dotierungstyps dotiert ist. Entsprechend bildet sich zwischen Emitter2a und Basis 3a ein pn-Übergang 4a aus. Emitter und Basis wurden in einem Siliziumwafer ausgebildet. Weiterhin wurden zusätzliche, an sich bekannte Komponenten einer Solarzelle bereits erzeugt: Dies umfasst Passivierungsschichten an der oben liegenden Vorderseite sowie an der unten liegenden Rückseite, Metallisierungsstrukturen an Vorder- und Rückseite zum Abführen von Ladungsträgern sowie Antireflexschichten an der Vorder- und gegebenenfalls Rückseite zum Erhöhen der Lichtabsorption. In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels wird der Emitter mittels Diffusion aus einer vorab aufgebrachten Dotierschicht oder mittels Implantation ausgebildet. Ebenso können die Dotiertypen von Emitter und Basis vertauscht sein.
- In a method step A, the
semiconductor component 1a provided. - In the present case, this has an emitter formed by diffusion from the
gas phase 2a of the n-type doping and correspondingly abase 3a which is doped with a dopant of the p-doping type. Correspondingly forms between theemitter 2a andbase 3a apn junction 4a. The emitter and base were formed in a silicon wafer. Furthermore, additional, per se known components of a solar cell have already been produced: This includes passivation layers on the top front and on the bottom rear, metallization structures on the front and back to remove charge carriers and anti-reflective layers on the front and, if necessary, back to increase the Light absorption. In a modification of the exemplary embodiment, the emitter is formed by means of diffusion from a previously applied doping layer or by means of implantation. The doping types of emitter and base can also be interchanged.
Anschließend wird in einem Verfahrensschritt B mittels des vorbeschriebenen TLS-Verfahrens ein Auftrennen an der Trennfläche
Das TLS-Verfahren wird ausgehend von der Rückseite durchgeführt, das heißt, zunächst wird mittels eines Lasers ein Initialgraben an der unten liegenden Rückseite in dem Bereich, in welchem die Trennlinie
Das Ergebnis ist in
Nach Verfahrensschritt B wird an der Trennfläche
Die Trennflächenpassivierungsschicht
In
Das Halbleiterbauelement 1b weist ebenfalls einen Emitter2b sowie eine Basis 3b auf, sodass sich zwischen Emitter und Basis ein pn-Übergang 4b ausbildet. Zwischen den Verfahrensschritten A und B wie zuvor beschrieben, das heißt insbesondere vor dem Auftrennen, erfolgt jedoch in einem Verfahrensschritt B0 das Ausbilden eines Querleitungsvermeidungsbereiches5b . Wie in1b, i ersichtlich wird mittels Laserablation ein alsTrenngraben ausgebildeter Querleitungsvermeidungsbereich 5b ausgebildet,welcher den Emitter 2b und auch den pn-Übergang 4b vollständig durchdringt. Hierdurch wird eine Querleitung von Ladungsträgern durch den Emitter zu der TrennflächeT vermieden und somit ein die elektronische Güte des Halbleiterbauelementes verringernder negativer Einfluss der Trennfläche zusätzlich verringert.
- The
semiconductor component 1b also has an emitter2 B as well as abase 3b so that apn junction 4b is formed between the emitter and the base. Between method steps A and B as described above, that is to say in particular before the disconnection, however, a cross-line avoidance area is formed in amethod step B0 5b . As in1b, i By means of laser ablation, a cross-conduction avoidance area designed as a separating trench can be seen5b formed, which the emitter2 B and also completely penetrates thepn junction 4b. This creates a transverse conduction of charge carriers through the emitter to the interfaceT avoided and thus a negative influence of the interface that reduces the electronic quality of the semiconductor component is additionally reduced.
Wie in
Wie in
In
Bei dem Auftrennen von fotovoltaischen Solarzellen beispielsweise zur Ausbildung von Modulen gemäß der eingangs genannten Schindelungstechnik erfolgt üblicherweise ausgehend von einem Siliziumwafer ein Auftrennen einer Mehrzahl von Solarzellen.When separating photovoltaic solar cells, for example to form modules according to the shingling technique mentioned at the outset, a plurality of solar cells are usually separated starting from a silicon wafer.
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1a, 1b1a, 1b
- HalbleiterbauelementSemiconductor component
- 2a, 2b2a, 2b
- EmitterEmitter
- 3a, 3b3a, 3b
- BasisBase
- 4a, 4b4a, 4b
- pn-Übergangpn junction
- 5b5b
- QuerleitungsvermeidungsbereichCross line avoidance area
- 6a, 6b6a, 6b
- TrennflächenpassivierungsschichtInterface passivation layer
- TT
- TrennflächeParting surface
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